CN108475980B - 磁齿轮传动装置 - Google Patents

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Abstract

一种磁齿轮传动装置包括：第一转子；和定子，包括绕组和第一多个永久磁铁，所述第一多个永久磁铁位于所述绕组和所述第一转子之间，且所述定子包括未磁化的磁性材料，位于所述第一多个永久磁铁的周向并列的永久磁铁之间。

Description

磁齿轮传动装置
技术领域
本发明涉及一种磁齿轮传动装置。具体地，本发明涉及一种用于磁齿轮传动装置的定子。
发明背景
图1示出已知的磁齿轮传动装置100。这种装置作为电机/发电机，通常由内转子102和具有低磁极数的内永久磁铁104、具有若干极片108的调制转子106和具有高极数的外永久磁铁阵列的外定子110组成。来自内磁铁104的磁通由调制转子106中的极片108阵列被调制，从而在极片108的外表面产生多个谐波。主谐波与外永久磁铁112的基本磁场相连，形成磁齿轮。内转子102磁通的基波分量与定子110相连，磁通的基波分量在伪直接驱动机(磁齿轮传动电机/发电机)的定子绕组103中产生反电动势。磁通的基波分量的大小决定了在给定速度下反电动势的大小。磁通的基波分量越高，提供指定输出扭矩所需的电流就越低。定子绕组中的铜损耗与电流的平方成正比。图1示出连接该磁齿轮传动装置100的两个磁极的典型磁通路径114。
磁齿轮传动装置100可用作电机/发电机。该电机/发电机的外磁铁112经粘合剂被安装在定子110的孔上。该电机/发电机在每个外磁铁112之间具有小的周向间隙，以应付工程公差。其通常填充有用于结构性用途的非磁性封装，单个磁铁112之间的周向间隙尽可能在工程公差范围内被较小地制备，以最大限度地增加磁铁材料的数量，从而增加电机/发电机的磁齿轮部分的扭矩密度。
发明内容
根据一个方面，磁齿轮传动装置包括：第一转子；和定子，包括绕组和第一多个永久磁铁，所述第一多个永久磁铁位于所述绕组和所述第一转子之间，所述定子包括未磁化的磁性材料，位于所述第一多个永久磁铁的周向并列的永久磁铁之间。
选择性地，所述未磁化的磁性材料在所述永久磁铁之间大致径向上突出。所述未磁化的磁性材料可对于所述永久磁铁的至少径向内边缘突出。所述未磁化的磁性材料可突出至所述永久磁铁的所述径向内边缘之外。
所述未磁化的磁性材料可形成具有磁芯的磁通路径，其上安装有所述绕组。所述未磁化的磁性材料和磁芯可为一体。
选择性地，所述第一转子包括第二多个永久磁铁。
选择性地，所述定子包括径向外部和径向内部，所述未磁化的磁性材料形成所述径向内部的一部分。
选择性地，所述定子被形成为环形结构。
选择性地，所述第一转子和定子为同心，所述定子为所述第一转子的径向外部。
选择性地，所述磁齿轮传动装置进一步包括第二转子，径向位于所述第一转子和所述定子之间。所述第二转子可包括多个极片。
选择性地，所述定子包括所述未磁化的磁性材料。
选择性地，所述第一多个永久磁铁被嵌入所述定子中。
选择性地，所述未磁化的磁性材料在所述第一多个永久磁铁的所述并列的永久磁铁之间形成桥接。
选择性地，所述未磁化的磁性材料的部分位于所述第一多个永久磁铁和所述第一转子和/或第二转子之间。所述部分可在所述第一多个永久磁铁和所述第一转子或第二转子之间周向延伸。
选择性地，所述未磁化的磁性材料封装所述第一多个永久磁铁中的至少一个。所述未磁化的磁性材料可围绕所述第一多个永久磁铁中的至少一个的周长延伸。
选择性地，所述未磁化的磁性材料将所述第一多个永久磁铁中的至少一个保持在所述定子。
选择性地，所述未磁化的磁性材料为电工钢或软磁复合材料。
选择性地，所述定子包括轴向分层的定子叠层。所述定子叠层中的一个或多个可包括所述未磁化的磁性材料，位于所述第一多个永久磁铁的周向并列的永久磁铁之间。
选择性地，所述第一多个永久磁铁中的至少一个包括轴向分层的永久磁铁叠层。所述永久磁铁叠层的轴向厚度可大于所述定子叠层。
选择性地，两个定子叠层分别包括位于所述第一多个永久磁铁的周向并列的永久磁铁之间的未磁化的磁性材料。
选择性地，各永久磁铁叠层仅由一个定子叠层被保持，所述定子叠层包括位于所述第一多个永久磁铁的周向并列的永久磁铁之间的未磁化的磁性材料。替代地，各永久磁铁叠层由至少两个定子叠层被保持，所述定子叠层包括位于所述第一多个永久磁铁的周向并列的永久磁铁之间的未磁化的磁性材料。
选择性地，两个定子叠层中的一个包括位于所述第一多个永久磁铁的周向并列的永久磁铁之间的未磁化的磁性材料。替代地，三个定子叠层中的一个包括位于所述第一多个永久磁铁的周向并列的永久磁铁之间的未磁化的磁性材料。替代地，四个定子叠层中的一个包括位于所述第一多个永久磁铁的周向并列的永久磁铁之间的未磁化的磁性材料。替代地，五个定子叠层中的一个包括位于所述第一多个永久磁铁的周向并列的永久磁铁之间的未磁化的磁性材料。
选择性地，所述未磁化的磁性材料包括轴向分层的材料叠层。
选择性地，所述定子包括径向外部和径向内部，所述未磁化的磁性材料形成所述径向内部的一部分，所述径向内部被固定在所述径向外部。所述第一多个永久磁铁可形成径向内部的一部分。
选择性地，所述未磁化的磁性材料延伸穿过所述第一多个永久磁铁。所述未磁化的磁性材料可径向和/或周向延伸穿过所述第一多个永久磁铁。所述未磁化的磁性材料可将所述永久磁铁中的至少一个分成多个永久磁铁部分。
选择性地，所述磁齿轮传动装置为电机/发电机，且所述第二转子为电机/发电机的输出/输入轴。
所述第一转子可包括第二多个永久磁铁，其中所述第一转子可配置为以磁齿轮传动方式与所述第二转子交互。所述绕组可配置为与所述第二多个永久磁铁的磁场的第一谐波或基谐波交互。
选择性地，所述第一多个永久磁铁具有各自的第一多个永久磁铁，所述第二多个永久磁铁具有各自的第二多个极对，其中至少一个极片被配置来调制所述第一和第二多个永久磁铁的所述磁场，以产生相互匹配的极对，从而在所述第一和第二多个永久磁铁之间进行磁耦合和扭矩传递，且其中所述绕组被配置成与所述第二多个永久磁铁的所述磁场的所述第一谐波或基谐波磁耦合。
所述第一和第二转子可配置成以磁齿轮传动方式在其之间传递扭矩。选择性地，所述第一转子被机械地耦合到输入轴或输出轴中的一个，且所述第二转子被机械地耦合到输入轴或输出轴中的另一个。
附图简要说明
以下仅以示例方式参照附图对本发明的具体实施例进行说明，其中：
图1是现有技术的电机/发电机的轴向视图。
图2是用于磁齿轮传动装置的定子的一个实施例的轴向视图。
图3是用于磁齿轮传动装置的定子的另一个实施例的轴向视图。
图4是用于磁齿轮传动装置的定子的一部分的各种实施例的轴向视图。
图5是用于磁齿轮传动装置的定子的另一个实施例的透视图。
图6是层压定子的一个实施例的轴向和径向视图。
图7是图6的层压定子的径向视图，包括永久磁铁实施例。
具体说明
由于导体电阻，穿过定子绕组的电流会导致铜耗。本领域技术人员应理解，铜耗是一种不理想的热量损失，这会导致绕组在运作中温度升高。定子绕组中的铜耗与电流的平方成正比，因此在电流过高时，损耗变得越来越大。减少铜耗的一种方法是通过在各定子槽中增加用于指定电流的铜截面来降低“电流密度”。然而，这样的改变增加了定子的质量和成本，且如果定子的外径保持不变时需要更深的槽。这种深槽还需要减小转子直径(由于定子厚度的增加)，从而不理想地减小了用于产生扭矩的有源气隙面积(剪切气隙)。
大幅度减少铜耗的另一种方法是减少电流，但是，在没有任何其他变化的情况下，这种电流的减少将导致包含定子绕组的磁齿轮传动装置的扭矩降低。因此，为了在不影响扭矩的情况下补偿绕组中减少的电流，每安培的扭矩必须被增加。
在图1的磁齿轮传动电机/发电机的环境中，可以通过增加从内磁铁104至定子110的基波磁通114的幅度来增加每安培的扭矩。在每一个外(定子)磁铁112之间引入高磁导材料(软铁间极)导致内磁铁104和外磁铁112之间的低磁阻路径，进而到达定子110的内磁铁通量的基波分量被增加，从而增加了连接绕组103的磁通。该运作增加了每安培的扭矩且无需增加电流。由于铜耗与每安培的扭矩的平方成反比，因此铜耗被减少。
现参照图2，在一个实施例中，在定子110的磁铁112之间提供高磁导材料(磁性材料，例如硅铁等层压钢)，以形成径向桥接202。由径向桥接202提供的磁铁112之间的磁性材料降低了从内磁铁104至定子110的磁路的磁阻，从而增加了电路的磁通耦合。如图2所示，通过将“支脚”204引入径向桥接202，可以进一步提高定子110中的基波磁通。支脚204的作用是从定子110和调制转子106之间的气隙“收集”磁通，并将磁通引导至绕组103。磁通可视为气隙磁通密度与磁通“收集”材料面积的乘积。支脚204增加了面向气隙的低磁阻材料的附加区域，直接将磁通引导至径向桥接202，且由此将磁通引导至绕组103的主芯/齿体203，来与绕组103连接。否则，不与绕组103连接时该磁通可能会潜在地回漏至相邻的磁极，或是由于永久磁铁具有类似于空气的导磁率，该磁通可能会进入呈现高磁阻路径的永久磁铁112的路线。因此，支脚204增加与绕组103连接的磁通量。
如图2所示，定子110的磁铁112之间的高磁导材料可以是高导磁率材料的径向桥接。该桥接被放置在相邻磁铁112之间。高导磁率径向桥接可以由诸如层压的电工钢或软磁复合材料等的磁性材料制成。高导磁率径向桥接可以放置在每个磁铁112之间，或者每第二个、每第三个磁铁112或其他数字磁铁112之间。
现参照图3，在一个实施例中，图2的“支脚”204可以延伸进一步在定子磁铁112的底部实现周向桥接302。如图3所示，这导致磁铁处于钢的“保持架”中。最优选是周向桥接302应用于较大的机器，与磁铁尺寸相比，该桥接尺寸可以相对较小。工程公差将桥接302的绝对值限制在0.4mm左右，因此装置中使用的磁铁具有约小于5mm的极宽，不适合这种技术。
图3的周向桥接302的优点是，由于定子110的径向间极(径向桥202)在磁铁112阵列的孔处被周向地连接在一起，因此在制造过程中提供了改进的机械鲁棒性。由此，在制造过程中径向截面(径向桥202)被增强，并且磁力由更强的结构承受(图3示出在磁铁112上提供完整桥接的周向桥接302)。此外，当磁性材料包围磁铁112时，定子110中的基波磁通被进一步增加。
磁铁112可以是单片(在X-Y平面中，Z轴定义装置转子102、106的旋转轴)。在图4所示的实施例中，磁铁112由多个部分112a-112i组成。
磁铁112可以插入定子110的高磁渗透性材料的“袋”或“盒”中，如图3所示，而不需要使用粘合剂(粘合剂可以在之后一次性操作被引入来用于所有磁铁)。借助含有磁铁的刚性“盒”，可利用穿过阻尼介质的反作用力来提供机械阻尼。
定子110可以层压，如图5所示。定子110的径向桥接部分可以是主定子叠层(包括背铁、齿等)的一部分，也可以是与其分开。
定子叠层可通过冲压、激光或电线腐蚀或电机制造商所知道的任何其他方法被制成。
在实施例中，如图6所示，定子110可以被层压。图6示出上定子叠层B，以及具有上部602(对应于上定子叠层B)和下部604的定子叠层A。下部604具有用于永久磁铁112的“袋”或“盒”。图6的左侧示出定子叠层A和B的径向视图。不同的定子叠层形状可以被压印以产生叠层堆栈，其中径向桥接特征(径向桥接202和周向桥接302存在于定子叠层A中)仅以整个堆栈长度的比例被存在，即具有桥接特征的叠层(A)以轴向和/或周向被交错。(例如参照图5至图7)。
图7示出每4叠层中有1层(图7的左侧)和每5叠层中有1层(图7的右侧)具有桥接特征。图7还示出永久磁铁112可以是单片(左侧)，或是在实施例中永久磁铁112可以被分段或层压(右侧)。可以看到，在轴方向永久磁铁112的叠层或段比定子110的叠层更厚。如图7的右侧所示，定子110和磁铁112可以是每个永久磁铁只有一个相应的具桥接特征的定子叠层(A)，然而每个永久磁铁也可以有多个相应的具桥接特征的定子叠层(A)。
对于定子110，叠层桥接被用来增加到达定子110的基波磁通。由于已知的定子没有安装在其上的磁铁因此不要求该桥接增加了提供基波磁通的磁铁与承载绕组的定子之间的有效气隙。由于钢层压的径向桥接段在磁路中提供较低的磁阻路径，因此在此所述的方法允许磁铁被安全地附着在定子上，且无需在磁路中添加该有效的大气隙。换句话说，通过利用径向桥接202，磁路中的气隙被减小，并在使用周向桥接302时气隙被进一步减小。这与现有的PDD定子技术有着根本的不同，其他传统的定子技术都没有在定子的孔上使用磁铁。
如图4所示，类似图4的具有内桥接402、外桥接(周向桥接302和外桥接404)和径向桥接202的单独叠层可以被制备，且磁铁被插入到该部件中。然后，该子组件可以在日后被连接到定子叠层堆栈上。
在此，以下优势被实现
●由于磁铁之间的软铁中间极(作为径向桥202形成)和可选的周向桥接(302)增加了基波磁通。由于基波磁通的增加，铜体积随着每安培扭矩的增加而减少，因此减少了实现相同扭矩所需的绕组尺寸。此外，提高了机器的效率，因为a)由于改进的磁路而使漏磁最小化，b)所需电流较少(由于每安培的扭矩增加)，减少铜损耗。
●可提供轴向长度减小的机器。由于本发明的机器增加了磁通，在达到相同性能的同时，减少了所需的铜绕组数量。较少的铜绕组意味着定子中的槽面积也可以被减小，从而提供径向厚度减小的定子。对于机器的外径被固定(即不能增加)的应用，使用较薄的定子(减小轴向厚度)来增加定子的内径。这为永久磁铁112提供了相比更厚的定子提供的更大的直径。本领域技术人员应理解，磁齿轮产生的扭矩是气隙剪应力(由可实现的气隙磁通密度决定)、气隙表面积和“扭矩臂”(即气隙剪力乘以轴线上作用的距离)的函数。当永久磁铁112的直径增大时，扭矩臂增大，且单位长度的表面积也增加。因此，在提供至少与较长机器同等性能的同时，机器的轴向长度可以被减少。
●由于径向和周向桥接固定地保持磁铁112，因此不需要粘合剂(只有磁铁与叠层侧壁之间的间隙填充介质)。
●磁铁可以“贴”至由径向和周向桥接(“袋”或“盒子”)形成的槽中，用于高速制造。
●如图4所示，可以采用磁铁的多方向分段且不用担心磁铁进入气隙(由于较差的粘合性或制造中的人为错误)。这大大减少了损失，特别是在大磁力截面积的大型机器上
●由于标准真空压力浸渍(VPI)程序可以充分保护磁铁，因此可以减少磁铁的涂层规格。在现有的机器中，由于永久磁铁被暴露，因此附加的保护涂层(如Ni-Cu-Ni镀层或环氧涂层)通常被应用于永久磁铁上。当该磁铁被粘结到定子表面时，粘结强度仅相当于保护涂层至磁铁的结合强度。在此所述的机器中，不需要保护涂层，因为由径向桥接202和周向桥接302形成的固定“保持架”可用来保护磁铁。然后可以使用常规VPI程序将磁铁粘合到结构中，同时提供足够的腐蚀防护。技术人员应理解该常规VPI程序的细节。
●在制造过程中保护磁铁不受损坏，保护磁铁不受任何进入气隙的外来物体的损害。这种保护由径向桥接202和周向桥接302形成的固定“保持架”被提供。
●本发明改善了与定子110的热接触，从而降低了磁铁与冷却剂之间的热电阻。其降低了操作温度，并由此提高了磁通和/或选择较低的矫顽磁性级别(更便宜)，减少了重稀土(即镝)的含量。
●本发明适用于压印零件、激光零件等。因此，提供了一种高容量制造解决方案。

Claims (35)

1.一种磁齿轮传动装置，包括：
第一转子，包括多个第一永久磁铁；
定子，包括绕组和多个第二永久磁铁，所述多个第二永久磁铁位于所述绕组和所述第一转子之间；以及
第二转子，径向位于所述第一转子和所述定子之间并且包括多个极片，
所述定子包括未磁化的磁性材料，位于周向并列的第二永久磁铁之间，
其中，所述未磁化的磁性材料在所述第二永久磁铁中的每个之间在径向上突出，延伸到由所述第二永久磁铁限定的至少径向内边缘，并且包括多个支脚，每个所述支脚沿着所述径向内边缘周向地延伸从而至少部分地封装所述第二永久磁铁。
2.根据权利要求1所述的磁齿轮传动装置，其中所述未磁化的磁性材料突出至所述径向内边缘之外。
3.根据权利要求1所述的磁齿轮传动装置，其中所述未磁化的磁性材料形成具有磁芯的磁通路径，其上安装有所述绕组。
4.根据权利要求3所述的磁齿轮传动装置，其中所述未磁化的磁性材料和磁芯为一体。
5.根据权利要求1-4中任何一项所述的磁齿轮传动装置，其中所述定子包括径向外部和径向内部，所述未磁化的磁性材料形成所述径向内部的一部分。
6.根据权利要求1-4中任何一项所述的磁齿轮传动装置，其中所述定子被形成为环形结构。
7.根据权利要求1-4中任何一项所述的磁齿轮传动装置，其中所述第一转子和定子为同心，所述定子为所述第一转子的径向外部。
8.根据权利要求1-4中任何一项所述的磁齿轮传动装置，其中所述定子包括所述未磁化的磁性材料。
9.根据权利要求1-4中任何一项所述的磁齿轮传动装置，其中所述多个第二永久磁铁被嵌入所述定子中。
10.根据权利要求1-4中任何一项所述的磁齿轮传动装置，其中所述未磁化的磁性材料完全封装所述多个第二永久磁铁中的至少一个。
11.根据权利要求1-4中任何一项所述的磁齿轮传动装置，其中所述未磁化的磁性材料围绕所述第二永久磁铁中的至少一个的周长延伸。
12.根据权利要求1-4中任何一项所述的磁齿轮传动装置，其中所述未磁化的磁性材料将所述第二永久磁铁中的至少一个保持在所述定子。
13.根据权利要求1-4中任何一项所述的磁齿轮传动装置，其中所述未磁化的磁性材料为电工钢。
14.根据权利要求1-4中任何一项所述的磁齿轮传动装置，其中所述未磁化的磁性材料为软磁复合材料。
15.根据权利要求1-4中任何一项所述的磁齿轮传动装置，其中所述定子包括轴向分层的定子叠层。
16.根据权利要求15所述的磁齿轮传动装置，其中所述定子叠层中的一个或多个包括所述未磁化的磁性材料，位于周向并列的第二永久磁铁之间。
17.根据权利要求16所述的磁齿轮传动装置，其中所述第二永久磁铁中的至少一个包括轴向分层的永久磁铁叠层。
18.根据权利要求17所述的磁齿轮传动装置，其中所述永久磁铁叠层的轴向厚度大于所述定子叠层。
19.根据权利要求16所述的磁齿轮传动装置，其中两个定子叠层分别包括位于周向并列的第二永久磁铁之间的未磁化的磁性材料。
20.根据权利要求17所述的磁齿轮传动装置，其中各永久磁铁叠层仅由一个定子叠层被保持，所述定子叠层包括位于周向并列的第二永久磁铁之间的未磁化的磁性材料。
21.根据权利要求17所述的磁齿轮传动装置，其中各永久磁铁叠层由至少两个定子叠层被保持，所述定子叠层包括位于周向并列的第二永久磁铁之间的未磁化的磁性材料。
22.根据权利要求16所述的磁齿轮传动装置，其中两个定子叠层中的一个包括位于周向并列的第二永久磁铁之间的未磁化的磁性材料。
23.根据权利要求16所述的磁齿轮传动装置，其中三个定子叠层中的一个包括位于周向并列的第二永久磁铁之间的未磁化的磁性材料。
24.根据权利要求16所述的磁齿轮传动装置，其中四个定子叠层中的一个包括位于周向并列的第二永久磁铁之间的未磁化的磁性材料。
25.根据权利要求16所述的磁齿轮传动装置，其中五个定子叠层中的一个包括位于周向并列的第二永久磁铁之间的未磁化的磁性材料。
26.根据权利要求1-4中任何一项所述的磁齿轮传动装置 ，其中所述未磁化的磁性材料包括轴向分层的材料叠层。
27.根据权利要求26所述的磁齿轮传动装置，其中所述定子包括径向外部和径向内部，所述未磁化的磁性材料形成所述径向内部的一部分，所述径向内部被固定在所述径向外部。
28.根据权利要求27所述的磁齿轮传动装置，其中所述多个第二永久磁铁形成径向内部的一部分。
29.根据权利要求28所述的磁齿轮传动装置，其中所述未磁化的磁性材料延伸穿过所述多个第二永久磁铁。
30.根据权利要求29所述的磁齿轮传动装置，其中所述未磁化的磁性材料径向或周向延伸穿过所述多个第二永久磁铁。
31.根据权利要求29所述的磁齿轮传动装置，其中所述未磁化的磁性材料将所述多个第二永久磁铁中的至少一个分成多个永久磁铁部分。
32.根据权利要求1所述的磁齿轮传动装置，其中所述第二转子被配置为以磁齿轮传动方式与所述第一转子交互，且其中所述绕组被配置为与所述多个第二永久磁铁的磁场的第一谐波或基谐波交互。
33.根据权利要求1所述的磁齿轮传动装置，其中所述第一和第二转子被配置成以磁齿轮传动方式在其之间传递扭矩。
34.根据权利要求33所述的磁齿轮传动装置，其中所述第一转子被机械地耦合到输入轴或输出轴中的一个，且所述第二转子被机械地耦合到所述输入轴或输出轴中的另一个。
35.一种根据权利要求1-4中任何一项的定子。
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